基于细胞水平药物筛选的微流控芯片系统研究进展
生物医学工程中的微流控技术研究进展
生物医学工程中的微流控技术研究进展近年来，随着生物医学工程领域的快速发展，微流控技术逐渐成为一项被广泛研究和应用的重要技术。
微流控技术是利用小尺度通道中的微观流体流动进行精确控制和分析的一种技术，能够为生物医学工程领域的多个方面提供创新性解决方案。
本文将综述微流控技术在生物医学工程中的研究进展，并探讨其应用前景。
首先，微流控技术在生物样本分析和筛选方面发挥了重要作用。
传统的生物分析方法通常需要大量的样本和复杂的仪器设备，而微流控技术可以通过微型化和集成化的方式，实现对样本的高通量分析和筛选。
例如，微流控芯片结合生物标记物检测技术，可以快速、高效地进行生物标记物的分析，从而在生物医学研究和临床诊断中发挥重要的作用。
其次，微流控技术在药物传递和药物筛选方面也有显著的研究进展。
微流控技术可以精确地控制流体在微通道中的流动，实现对药物输送的精确控制。
例如，通过微流控芯片可以实现针对个体化治疗的药物输送系统，将药物按照患者的特定需求进行定制，提高治疗效果和减少副作用。
此外，通过微流控芯片还可以实现药物的高通量筛选，加速新药研发的进程。
另一方面，微流控技术在生物组织工程中也发挥了重要作用。
生物组织工程是将细胞、生物材料和生物活性物质结合起来构建人工组织或器官的一种方法。
微流控技术可以提供精确的组织工程环境，实现对细胞的培养和分化的精确控制。
例如，通过微流控芯片可以模拟血管的微环境，为细胞提供适宜的氧气、营养物质和生长因子，促进血管生成和组织修复。
此外，微流控技术还在基因分析和生物传感器方面有着广泛的应用。
微流控技术可以通过微通道和微阀门对生物样本中的基因进行分析和检测。
例如，通过微流控芯片可以实现基因的放大和分离，用于基因测序和基因突变检测。
同时，微流控技术还可以结合生物传感器实现对生物分子的高灵敏、高特异性检测。
这对于早期疾病的诊断和生物研究具有重要的意义。
然而，微流控技术在应用中也面临一些挑战。
首先，由于微流控芯片结构的复杂性，制备和操作技术的要求较高，增加了技术难度和成本。
微流控芯片技术的研究与应用
微流控芯片技术的研究与应用微流控芯片技术是一种基于微纳米加工技术和流体力学理论的高新技术，它能够将微小的液体或气体精准地操控和管理，广泛应用于化学、生物、医学等领域。
下面将从微流控芯片技术的原理、研究进展和应用前景三个方面进行介绍。
一、微流控芯片技术的原理微流控芯片技术的核心在于微流体控制，其原理主要涉及微小液滴、微小通道和微型阀门。
微小液滴是指微流控芯片内的微小液体颗粒，它们可以根据通道的设计被精准地分配和传输。
微小通道是指微流控芯片内的微型管道，它们是控制微小液滴流动的重要组成部分。
微型阀门是指微流控芯片内的小型控制元件，可以通过外部控制开启或关闭，从而实现微小液滴的控制。
微流控芯片技术基于微型流体的行为，可以将微小液滴进行混合、分离、反应等操作，从而实现微流体组件的各种功能。
通过微型通道和微型阀门的调节，可以精确地控制微小液滴的数量、位置和流动速度，从而大大提高实验的准确性和可重复性。
二、微流控芯片技术的研究进展随着微纳米加工技术的发展和工艺的不断完善，微流控芯片技术得到了广泛的研究和应用。
目前，微流控芯片技术已经成功地运用在细胞培养、DNA分离、蛋白质分析、药物筛选等领域，并获得了许多重要的研究成果。
在细胞培养方面，微流控芯片技术可以提供一个更为真实的模拟环境，促进细胞生长和分化，并可用于监测细胞行为、繁殖和死亡的特征。
在DNA和蛋白质分析方面，微流控芯片技术可以更快速、更准确地识别DNA和蛋白质的特征，从而为基因和蛋白质组学研究提供了一个高效的平台。
在药物筛选方面，微流控技术可以更快速、更精准地评估药物候选物的活性、毒性、代谢和药效学特征，为药物研发提供更加可靠的数据基础。
三、微流控芯片技术的应用前景由于其精准、高效、低成本、可自动化等优势，微流控芯片技术已经成为生物医学、环境监测、材料科学等领域的热点研究方向，并逐渐应用于工业生产和医疗诊断中。
在生物医学领域，微流控芯片技术可以用于诊断、治疗和预测疾病，如癌症、心血管疾病、神经疾病等。
基于微流控技术的生物芯片研究与应用
基于微流控技术的生物芯片研究与应用生物芯片是一种具有很高应用价值的生物诊断平台，其主要基于微流控技术实现。
微流控技术是通过微型化的管道、阀门、泵等组件精确控制微小尺度下的生物反应过程。
这种技术可以使得微流体中的各种分子之间的相互作用更加明确和精确，从而实现生物分子的快速分离、检测和定量。
目前，生物芯片已经广泛应用于各种医疗、环境监测、食品安全等领域。
特别是在疾病的早期诊断、药物筛选等方面，生物芯片具有很高的灵敏度和特异性，成为了一个不可或缺的重要工具。
一、微流控技术在生物芯片中的应用微流控技术是生物芯片的核心组成部分。
其基本原理是使用微型管道、微型阀门、微型泵等微型化组件来控制生物分析系统中的各种流动体和反应物。
通过使用微小的液滴，微流控系统可以实现对样品的微重复分析、快速分离和检测等功能。
微流控技术可以被应用于许多生物领域，如细胞、生物大分子、体液等检测。
此外，微流控技术还有助于提高分析过程的速度和准确性。
因此，微流控技术在生物芯片中得到广泛的应用，这主要包括以下几个方面：1、实现生物分子的高通量筛选微流控技术可以实现高通量的生物分子筛选，比如蛋白质、DNA等，微流控技术可以将这些生物分子针对具体的靶标进行筛选和识别，从而实现高效率的生物分子库的构建。
2、适用于细胞分析和分选微流控技术可以大大提高细胞分析和分选的效率。
例如，通过微流控芯片，可以在数秒内分离出单个细胞或细胞集群，从而为个性化医疗、疾病治疗提供有效的支持。
3、便携式实现样品的移动式检测微流控技术的微小尺寸可以让事物更加便携，并减少复杂的操作，进一步扩大了应用范围。
目前，微型化的微流控平台已经可以实现相关的实验室检测，从而为野外、生产线或现场检测提供了可能。
二、基于微流控技术的生物芯片研究微流控技术核心的流动控制、分子识别等技术手段与生物芯片结合会产生更加强大的作用。
在以往研究的基础上，基于微流控技术的生物芯片研究也在不断地发展和完善。
微流控技术在生物医学领域中的研究进展
微流控技术在生物医学领域中的研究进展微流控技术是一种基于微电子学和微机械学的新型技术，它通过利用微小通道、微流体、微阀门等微结构，来实现对微小液体的操控和控制。
该技术在生物医学领域中的应用极为广泛，包括基因测序、高通量药物筛选、细胞分类等。
下面将探讨微流控技术在生物医学领域中的研究进展。
一、微流控技术在基因测序中的应用基因测序是现代医学领域中的一项重要技术，它可以为人们提供个体化、精准化的诊疗方案。
而微流控技术在基因测序中的应用，可以大大提高基因测序的效率、准确度和精度。
目前，大部分基因测序仪都采用了微流控芯片技术，将样本与试剂分装在微小的通道中，高效地进行基因测序。
与传统的基因测序方法相比，微流控技术具有更高的可重复性、更快的速度和更低的成本，因此已被广泛应用于生物医学研究领域。
二、微流控技术在高通量药物筛选中的应用高通量药物筛选是一项极为繁琐的工作，传统的方法需要大量的试药和患者样本，有很高的成本和时间。
而微流控技术可以在微小的通道中快速地分离、检测患者样本和药物试剂，从而实现高通量药物筛选。
该技术可以大大缩短药物筛选的时间和成本，提高药物的研发效率和成功率，为生物医学领域带来了重要的帮助。
三、微流控技术在细胞分类中的应用细胞分类是生物医学领域中的一项重要技术，它可以帮助人们诊断和治疗很多疾病。
而传统的细胞分类方法需要大量的人工操作，效率低下，缺乏精确度。
而微流控技术可以通过微型通道和微型阀门来操作单个或大量的细胞，并将其分类和筛选。
该技术可以大大提高细胞分类的效率和准确度，为生物医学研究提供了重要的基础。
四、微流控技术的未来发展微流控技术在生物医学领域的应用已经取得了很大的进展，但还有很多问题需要解决。
例如，如何进一步提高微流控芯片的加工精度和制造工艺，以便更好地满足实际需求；如何提高微型通道和阀门的稳定性和可靠性，以便更好地控制微小液体的逆行流动和泄漏；如何进一步提高微流控芯片的兼容性和可扩展性，以便更好地集成其他生物医学技术。
微流控芯片技术的研究进展与应用前景
微流控芯片技术的研究进展与应用前景微流控芯片技术是近年来发展较快的一种微纳米制造技术，它通过精细的流道结构和微型阀门、泵等控制装置，实现了对样品的精确分离、混合、分析和检测等功能。
目前，微流控芯片技术已经得到了广泛的应用，尤其是在生物医学领域中，其应用前景更为广阔。
一、微流控芯片技术的发展历程微流控芯片技术起源于20世纪90年代初期，当时，实验室内流体搬运和控制仍然依靠手工操作和普通的注射器、管道等设备。
这种方法虽然简单，但操作效率低下，并且能力有限，难以精确控制微小的流体体积和浓度。
因此，研究者开始探索一种新的流体处理技术，即微流控技术。
最早的微流控芯片是由美国加州大学圣芭芭拉分校的George M. Whitesides 教授和他的团队于1992年制造的。
经过20多年的发展，微流控芯片技术已经成熟并得到广泛使用。
二、微流控芯片技术的研究方向微流控芯片技术主要研究方向包括微流体结构的制造技术、微流体力学、微流控芯片的设计和制造、微型流体处理核心组件的研发以及微流控芯片在不同领域的应用等几个方面。
1、微流体结构的制造技术微流控芯片的制造是微流体研究领域的基础工作，它主要有两种方法：一种是基于光刻技术，即通过制作硅基片、石英玻璃或聚合物等不同材料的微结构，以形成精细和复杂的通道结构；另一种是3D打印技术，即利用数字化建模技术构建模型，在3D打印机上进行加工，以实现微流控芯片的制造。
2、微流体力学微流体力学主要研究微米尺度下流体的流动行为和物理特性，是微流控芯片研究的重要基础。
微流体力学属于流体力学分支学科，主要研究怎样描述流体在微流道内的运动和流动特性。
3、微流控芯片的设计和制造微流控芯片的设计和制造是微流体研究领域中的关键技术。
在微流控芯片设计过程中，需要对流体的特性、工作原理和微流道的结构进行系统分析和仿真，确定芯片的包括长度和宽度，流液的体积和流速等参数。
4、微型流体处理核心组件的研发微型流体处理核心组件是微流控芯片中最重要的部分，它是微流控芯片实现精密流体控制的关键。
生物芯片和微流控芯片的研究进展
生物芯片和微流控芯片的研究进展随着现代科技的不断发展，人类对于生物芯片和微流控芯片的研究也越来越深入。
生物芯片和微流控芯片都是众多领域中的热门话题，从医疗到环保再到食品安全，都可以看到它们的应用。
本文将围绕这两种芯片，介绍它们的相关研究进展。
一、生物芯片的研究进展生物芯片是一种在微米尺度上集成了化学、物理、生物三个方面的功能元件。
研究生物芯片的目的是将微型芯片技术应用于生命科学领域，实现体内微处理和多种分析方法的集成化。
生物芯片的研究进展主要包括以下方面。
1. 基因芯片基因芯片是一种用于检测多个目标分子的方法。
通过使用微型芯片技术将上千种的核酸序列固定在芯片上，再通过一系列化学反应来检测被测目标分子的含量。
基因芯片可以提高基因检测的灵敏度和准确度，广泛应用于诊断和个性化医疗等领域。
2. 细胞芯片细胞芯片是一种在微米尺度上集成了细胞培养的芯片。
通过微观加工技术，可以将细胞培养在芯片上的小空间中，以便研究其生长、分化等行为。
细胞芯片已经被广泛应用于体外药物筛选、基因表达分析等领域。
3. 蛋白芯片蛋白芯片是一种用于检测蛋白质互作、表达水平、功能以及抗体识别和药物筛选等的方法。
通过使用微型芯片技术将多个蛋白质固定在芯片上，再通过一系列化学反应来检测蛋白质的含量和活性。
4. 病毒芯片病毒芯片是一种用于快速搜寻各种病原体的方法。
通过将大量病毒抗原固定在芯片上，再通过体外反应来检测样本中的病原体。
病毒芯片可以快速、敏感地诊断病原体感染，广泛应用于传染病诊断和疫情监测等领域。
二、微流控芯片的研究进展微流控芯片是一种在微米尺度上控制小量流体运动的方法。
研究微流控芯片的目的是通过控制微流体的流动特性，实现高通量的、低样本浓度的多分析方法集成。
微流控芯片的研究进展主要包括以下方面。
1. 植物样本检测植物样本检测通常需要先将样本碾碎，再提取其中的DNA、RNA等生物分子。
然而，目前的方法往往要依赖昂贵的基因分离技术和大量试剂，且操作复杂。
微流控芯片的研究及产业化
微流控芯片的研究及产业化一、本文概述随着科技的飞速发展和微纳技术的深入应用，微流控芯片作为一种新兴的技术平台，已经在多个领域展现出巨大的潜力和应用价值。
本文旨在对微流控芯片的研究及产业化进行全面的概述和探讨。
我们将简要介绍微流控芯片的基本概念、特点和优势，阐述其在生物医学、药物筛选、环境监测等领域的重要应用。
我们将重点分析微流控芯片的研究现状，包括芯片设计、制造工艺、检测技术等方面的最新进展。
在此基础上，我们将探讨微流控芯片产业化的现状、面临的挑战以及未来的发展趋势。
我们将提出促进微流控芯片产业化的建议和措施，以期为我国微流控芯片领域的发展提供参考和借鉴。
二、微流控芯片的设计原理微流控芯片，又称微全分析系统（μ-TAS），是一种将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上的技术。
其核心设计原理主要基于微型化、集成化和高通量的理念。
微型化是微流控芯片最显著的特征之一。
通过微加工技术，在芯片上构造出微米级的流通通道和结构，可以实现对微量样品的高效操控和处理。
这种微型化不仅降低了样品的消耗，还提高了分析的灵敏度和准确性。
集成化是微流控芯片设计的另一重要原则。
通过在芯片上集成多个单元操作，可以实现样品的连续、自动化处理，从而大大简化了实验操作过程，提高了分析效率。
集成化还使得微流控芯片成为了一种便携式的分析工具，便于在现场或实地进行实时分析。
高通量是微流控芯片设计的另一关键目标。
通过在芯片上并行处理多个样品或反应，可以显著提高分析的通量，从而满足大规模样品分析的需求。
在微流控芯片的设计过程中，还需要考虑流体的控制、热量的传递、化学反应的动力学等因素。
通过精确控制流体的流动和混合，以及优化反应条件，可以实现高效、快速、准确的生物化学反应分析。
微流控芯片的设计原理涉及到微型化、集成化和高通量等多个方面。
通过不断优化设计理念和技术手段，微流控芯片有望在生物、化学、医学等领域发挥更大的作用，推动相关产业的快速发展。
微流控芯片在生物检测中的应用研究
微流控芯片在生物检测中的应用研究在当今生物医学领域，微流控芯片技术正以其独特的优势和广泛的应用前景，逐渐成为研究的热点。
微流控芯片是一种将生物、化学和医学分析过程集成到微小芯片上的技术，它通过对微尺度流体的精确控制和操纵，实现了高效、快速、准确的生物检测。
微流控芯片的基本原理是利用微米级的通道和反应室，控制流体的流动和混合，从而完成各种生物化学反应和分析过程。
这种技术具有许多显著的优点。
首先，微流控芯片的尺寸非常小，通常只有几平方厘米甚至更小，因此可以大大减少样品和试剂的消耗，降低检测成本。
其次，微流控芯片内部的流体流动是层流状态，这使得反应和分离过程更加精确和可控。
此外，微流控芯片可以集成多种功能单元，如样品预处理、反应、分离和检测等，实现了分析过程的自动化和集成化。
在生物检测方面，微流控芯片有着广泛的应用。
其中一个重要的应用是在核酸检测中的应用。
核酸是生物体内携带遗传信息的重要分子，对核酸的准确检测对于疾病的诊断、基因分析和遗传疾病的筛查等具有重要意义。
微流控芯片可以实现核酸的提取、扩增和检测等一系列过程的集成化。
例如，通过在芯片上设计特定的微通道和反应室，可以实现细胞的裂解、核酸的提取和纯化。
然后，利用芯片上的微加热器和温度传感器，可以进行核酸的扩增反应，如聚合酶链反应（PCR）。
最后，通过集成在芯片上的检测单元，如荧光检测或电化学检测等，可以对扩增后的核酸进行定量分析。
除了核酸检测，微流控芯片在蛋白质检测中也发挥着重要作用。
蛋白质是生命活动的重要执行者，其检测对于疾病的诊断、药物研发和生物过程的研究等具有重要意义。
微流控芯片可以实现蛋白质的分离、富集和检测等过程的集成化。
例如，利用芯片上的电泳技术，可以对蛋白质进行高效的分离。
通过在芯片上修饰特定的抗体或受体，可以实现蛋白质的特异性捕获和富集。
然后，利用芯片上的光学检测或质谱检测等技术，可以对捕获的蛋白质进行定量和定性分析。
微流控芯片在细胞检测方面也具有独特的优势。
微流控芯片在生物医学领域的应用研究
微流控芯片在生物医学领域的应用研究微流控芯片是近年来生物医学领域中一个备受关注的研究方向。
它是一种具有微米级通道、孔隙结构的芯片，可以按照预设的程序完成生物样品的加工、处理、分析、检测等操作。
这种芯片具有体积小、操作方便、实时监测等优点，应用广泛，特别是在生物医学领域中，它有着巨大的潜力和优越的应用前景。
一、微流控芯片在细胞分析中的应用微流控芯片在细胞分析中应用较为广泛，主要是基于其微通道、微孔洞结构所带来的优势，具有精准、快速、高通量特点。
利用微流控芯片可以实现对单个细胞及其代谢产物、分泌物、蛋白质、核酸等的快速感应、分离、筛选、检测等，为细胞研究提供了有力支持。
二、微流控芯片在药物筛选中的应用微流控芯片在药物筛选中的应用，主要是为了提高筛选效率和精度。
利用微流控芯片，可以对大量药物分子进行高通量的筛选，较为直观的观察药物分子和细胞之间的互动作用，进而确立药物的适应症和药物毒性，从而缩短药物的研发周期，降低研发成本。
三、微流控芯片在体液检测中的应用微流控芯片在体液检测中的应用，主要是对患者血液、唾液等体液中的指标性成分进行快速检测，如常见的血糖、生物标志物等。
这些测试可以在数分钟内完成，减轻了患者不必要的痛苦，同时还可以更好的了解患者的体内代谢水平，进一步辅助医生制定相应治疗方案。
四、微流控芯片在基因检测中的应用基因检测是现代医学的一个重要组成部分。
微流控芯片在基因检测中的应用，主要是利用芯片上微小的通道、反应池等结构，实现对基因序列的分离、提取、扩增、检测等操作。
这些操作可以高效、快速地完成，同时还能极大程度地降低试剂耗材成本，方便了大规模操作。
五、微流控芯片在细菌检测中的应用细菌检测是卫生检疫中非常重要的一个环节。
传统方法中，细菌检测需要将样品送至检测机构，时间和成本都较高。
而微流控芯片在细菌检测中的应用，可以快速、高效地检测到细菌数量和种类，特别是针对抗生素耐药性的检测，可以快速得出结果，避免了这类病菌向外传播的风险。
微流控芯片研究报告
微流控芯片研究报告微流控芯片是新型的技术，它为生物分子和有机分子提供处理控制环境，以便实现对生物工艺进行灵活控制，为实验室自动化提供帮助。
第一，我们来看微流控技术的原理。
微流控技术是在微米尺度上控制和处理流体。
它通过一种叫做“微流控芯片”的装置，实现流体在精确的尺度上的控制，来完成各种生物应用及其他相关任务。
微流控芯片是一种由多个集成的微孔组成的流量控制装置，可以控制流体的流量和流向，完成微尺度的控制。
微流控芯片的工作原理是：当芯片的排气口和接气口同时打开时，在芯片表面封闭的微孔组成的通道中形成压力区域，使微量流体经过微孔并形成稳定的流量，实现控制相关任务。
其次，微流控芯片的应用领域涉及到众多方面，包括生物医学和分子生物学等。
在生物医学研究中，微流控芯片可以实现对生物物质（如血液细胞）的精确移植、活性测量、药物检测和细胞计数等。
微流控技术也可以用于纳米医学研究，可以实现对纳米体系的快速活性测量、纳米粒子的检测和生物传感等。
此外，微流控芯片在分子生物学研究中也发挥着重要作用，可以实现分子结构分析、活性测定、细胞表达及基因转录等实验。
第三，微流控芯片的开发。
与传统技术相比，微流控芯片在控制和处理的精度和效率方面较为优越，但是存在一定的技术挑战。
为了实现更加精确的控制，微流控芯片的结构设计和材料选择十分重要。
必须采用低抗性的材料，如金属和陶瓷，并且设计芯片的尺寸和形状。
芯片结构和宽度的设计影响着油流控精度，并影响微流控芯片的使用性能和寿命。
同时，为了提高微流控芯片的灵活性，研究者们还需要为芯片设计高度可编程的控制系统，以实现灵活的流量控制，使微流控芯片更加容易使用。
最后，微流控芯片有着巨大的应用前景，未来的发展趋势十分乐观。
它不仅可以实现生物工艺的精准控制，而且有助于实现实验室自动化，从而极大地提高生物实验效率，为实现全面的智能实验室提供帮助。
综上所述，微流控技术的研究开发及应用前景十分可观，研究者们应该抓紧时间进行更多探索和实践，为全球未来技术发展做出贡献。
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述·
基于细胞水平药物筛选的微流控芯片系统研究进展
庞磊，马立东，孟宪生*，包永睿，王帅(辽宁中医药大学药学院，辽宁
大连 116600)
摘要：进入 21 世纪以来，药物筛选技术正朝着快速、高效的细胞水平筛选方面发展，微流控芯片技术作为现代生命科学 领域的重要研究工具，以其分析微型化、高通量化、可集成化和良好的生物相容性等特点，在细胞水平药物筛选方面引 起了广泛关注，并取得了一系列成果。国家“十二五”规划中启动科技重大专项“基于微流控芯片的新药研究开发关键 技术” ，使得微流控芯片在药物筛选领域的研究达到了一个新的高度。本文主要综述了近年来基于细胞水平药物筛选的微 流控芯片系统的研究进展，并对其应用前景进行了展望。 关键词：微流控芯片；细胞培养；药物筛选；研究进展 中图分类号：R965.1 文献标志码：A DOI: 10.13748/ki.issn1007-7693.2015.12.027 文章编号：1007-7693(2015)12-1518-08
中国现代应用药学 2015 年 12 月第 32 卷第 12 期
不同细胞株间的生化反应结果可比性强，一块芯 片上可同时进行多信息量检测，更能体现药物筛 选中所追求的高通量和高内涵筛选的宗旨。 Jeon 等
[19-20]
并以扩散的方式经过多层次的分流、汇流逐渐混 合，每个支路包含不同比例的原溶液，最终溶液 在圣诞树形的结构底部，即在垂直于样品流动方 向形成浓度梯度。这种结构通过设计灵活的网络 结构，可形成不同的通道形态和空间构型，从而 获得一系列复杂、精确并且是任意的浓度梯度， 与其他体外研究体系相比具有许多独特的优势。 如图 1 所示。
基金项目： “ 重大新药创制”国家科技重大专项(2013ZX09507005) 作者简介：庞磊，男，硕士生 Tel: (0411)85890125 (0411)85890125 E-mail: m选是从天然或合成的化合物中筛选出 高效的新药或先导化合物，对其进行生物活性和 药理作用检测，并根据检测结果评价某一物质的 药用前景，是新药研究的最初过程和关键步骤， 目的是发现新药。但是传统的药物筛选过程复杂， 效率低下，且成本昂贵，不能适应大规模样品的 同时筛选，因此需要开发效率更高的药物筛选方 法。近年来，随着细胞生物学技术的迅速发展， 基于细胞水平的高通量、高内涵筛选为新药筛选 提供了途径。细胞水平药物筛选具有微量化、超 高通量化、均质检测的优点，并可进行多指标、 多靶点及多通道检测。而微流控芯片凭借其样品 及试剂消耗少、分析速度快、效率高、操作模式 灵活多变、集成化优势明显等特点，为细胞水平
在微流控芯片上设计并制作了如“圣诞树”
结构的溶液浓度梯度生成器，开创了芯片上基于 浓度梯度药物筛选的先河，具有十分重要的意义。 该生成器上端的 3 个进样口可同时注入不同浓度 的溶液，溶液在微通道网络中以层流的方式流动，
图1 Fig. 1
[5]
细胞分析中的应用。然而 PDMS 的某些缺点可以 通过相关处理加以改进，比如对其表面的改性或 修饰就是一种拓宽其应用领域的有效方法[13]。Lee 等 [14] 利 用 无 毒 、 亲 水 性 很 好 的 聚 乙 二 醇 (polyethylene glycol，PEG)对 PDMS 表面进行修 饰。首先，利用等离子体处理 PDMS 表面，然后 浸 泡 入 聚 合 赖 氨 酸 - 聚 乙 二 醇 [Poly-lysinepolyethylene glycol， PLL-g-PEG]共聚物中。由于 在等离子处理后，PDMS 表面会产生-OH、COO基团，聚合赖氨酸 (Poly-lysine ， PLL) 骨架与负电 表面结合，PEG 链作为延伸结构，形成 PEG/水界 面，起到防止蛋白吸附的作用。Gomez-sjoberg 证 明用溶胶-凝胶对 PDMS 芯片进行处理后能减少非 极性药物小分子的吸附，并且芯片仍保持较好的 生物相容性、透光性和透气性[15]。 1.1.2 芯片微结构 用于细胞水平相关实验的微 流控芯片的微结构，需要考虑以下几点：首先是 芯片的尺寸，对于生物学实验来说，除非是单细 胞分析，否则一般都要求培养观察区域具有足够 多的细胞以满足群体统计的要求；另外通道的大 小要允许其中的溶液能形成稳定的浓度梯度或能 在通道表面改性，这在趋药性实验对细胞微环境 的控制中尤其重要 [16-17]。综上，需要较大尺寸的 培养通道，微通道的尺寸一般在 100~1 000 µm。 微流控芯片中还需要考虑通道的深宽比，高的深 宽比意味着高的表面积体积比，会产生更显著的 表面现象，使得更多的界面用来进行物质与能量 交换， 产生更高效率的气体供应及热量传送。 Hung 等[18]研究了在具有较大的深宽比的 PDMS 微流控 装置上制作一列微室，通过连续灌注培养基来培 养细胞，实验证明较大深宽比的 PDMS 微室和灌 注通道有一些独特的优点，如使细胞在微室内被 定位，可以创造一个供细胞生长的均一微环境。 其次要考虑的因素是芯片的构型，用于药物 筛选的芯片主要有 2 种构型，单通道设计和阵列 式通道设计。前者的通道构型包括十字型、T 型通 道等，这类芯片不仅制作简单，而且易于操控， 更多应用于理论研究和目标性强的指标测试。阵 列式通道设计的芯片在药物筛选中的使用更为普 遍，通常由设置许多高密度的具有不同细胞阵列 的细胞裸片、封装盖板和底板构成。阵列式通道 芯片能通过多种手段控制细胞培养条件，并使得
Chin J Mod Appl Pharm, 2015 December, Vol.32 No.12
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选，首先要对芯片的材料进行选择。用于制作微 流控分析芯片的材料有单晶硅、玻璃、石英、金 属和有机高聚物，如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲 酯(polymethyl methacrylate， PMMA)和聚二甲基硅 氧 烷 (polydimethylsiloxane ， PDMS) 等 。 其 中 ， PDMS 具有良好的生物兼容性、毒性低，且有较 高的热稳定性及一定的气体通透性，还具有很好 的弹性和变形性，加工成型方便，易于集成。另 外 PDMS 价格便宜，且表面用等离子体处理后能 与各种材料，如 PDMS、硅、玻璃、聚苯乙烯等 封接[6-10]。基于以上优点，PDMS 成为目前绝大部 分实验室首选的细胞水平实验芯片材料。 虽然 PDMS 拥有以上诸多优点，但最近很多 报道揭示了一些不尽人意的地方。首先，由于水 蒸气和有机溶剂能渗透过 PDMS，出现了溶液蒸 发和渗透压改变等问题 [11]，这对细胞培养是极其 不利的。Randall 等[12]的研究表明，水或乙醇的灌 入会降低 PDMS 的透明度并出现雾状水汽，水汽 渗透到基材里还会产生渗透驱动的液流。其次， 如果长期暴露于 PDMS 环境中，细胞的新陈代谢 和增殖也将受到影响。此外， PDMS 形成的微结 构不如玻璃等硬性材料稳定，较强的疏水性导致 其对一些极性小的分子吸附，对气体的通透性导 致其产生气泡，这些缺点有可能限制其在微尺度
of Traditional Chinese Medicine, Dalian 116600, China) ABSTRACT: Since entering the 21st century, drug screening technology is developing fast and efficiently towards to the cellular level screening. As a promising platform for the exploration of modern life science, microfluidic chip technology, with its analysis of miniaturization, qualcomm quantitative, can be integrated and good biocompatibility, etc, has attracted increasing attention on cell-based drug screening, and adopted a series of achievements. In the 12th five-year plan, our country started the science and technology major projects, making microfluidic chip reached a new height in the field of drug screening. In this paper, the microfluidic chip system based on a cellular level of drug screening in recent years are reviewed. In addition, the further applications of microfluidic chip are prospected based on the current development. KEY WORDS: microfluidic chip; cell culture; drug screening; research progress
Advances of Microfluidic Chip System in Cell-based Drug Screening Research PANG Lei, MA Lidong, MENG Xiansheng*, BAO Yongrui, WANG Shuai(College of Pharmacy, Liaoning University
20 世纪 90 年代， 为了适应对生物样品进行更 灵敏、 更高效、 快速分离分析的需要， 瑞士的 Manz 和 Widmer 等首先提出微全分析系统(miniaturized total analysis systems，μTAS)的概念 ，如今这种 以微机电加工技术为基础的系统已发展为世界上 最前沿的科技领域之一，其核心技术是微流控芯 片系统或称芯片实验室，指将常规化学和生物等 领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等 基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米 的芯片上，具有快速检测分析、信息量大、高通 量等优点[2-3]。在最近的十几年里，该系统被广泛 应用在生命科学、疾病诊断与治疗、药物合成与 筛选等领域，已经成为 21 世纪最为热门的前沿技 术之一[4]。